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第一章.化学热处理基础化学热处理:表面合金化＋热处理.将金属或合金工件置于一定温度的活性的介质中保温,使一种或几种元素渗入工件表层,以改变其化学成分,组织结构和性能.化学热处理目的:1.提高金属表面的强度.硬度和耐磨性.如渗氮可使金属表面硬度达到950HV～1200HV;渗硼可使金属表面硬度达到1400HV～2000HV等,因而工件表面具有极高的耐磨性.2.提高材料疲劳强度.如渗碳.渗氮.渗铬等渗层中由于相变使体积发生变化,导致表层产生很大的残余压应力,从而提高疲劳强度.3.使金属表面具有良好的抗粘着.抗咬合的能力和降低摩擦系数,如渗硫等.4.提高金属表面的耐蚀性,如渗氮.渗铝等.三过程:渗剂的分解,工件表面对活性原子的吸收,活性原子从工作表层向内部的扩散.五阶段:加热,分解,吸收,渗入,扩散.渗剂的分解:2CO→CO2＋[C]煤油,丙酮,CH4→[C]+2H2,2NH3→[N]+3H2影响因素:化学介质的性质,反应物的浓度,压强,工件表面状况,催化剂等.扩散机制:交换型,间隙型,空位型,环型旋转扩散.影响扩散的主要因素:1.温度T,2.浓度影响到扩散系数3.晶格类型:Dα－Fe〉Dγ－Fe4.固溶体类型:间隙大于置换5.第三种元素催渗技术:化学催渗:洁净表面,钝化膜;化学触媒;改变亚结构和结构.物理催渗:等离子场;高频电场;通电;流态.第二章.渗碳及碳氮共渗渗碳原理:在增碳活性介质中将低碳钢或低碳合金钢加热并保温,使碳原子渗入表层的化学热处理工艺.根据Fe-Fe3C相图,900-950ºC渗碳,C溶解度1.2%-1.5%.由于碳溶入A和F的溶解度相差较大,所以在A中渗碳,渗碳后表面→心部.过共析钢－共析钢－亚共析钢.退火(或正火):P＋Fe3C→P→P＋F.淬火:M＋Fe3C→M＋A→M→低.工件尺寸较大时,P＋F.渗碳温度:T↑,D↑,但设备的寿命,晶粒粗大,工件变形.保温时间τ↑,d↑.常用渗碳钢及其预处理:1.对渗碳钢的要求:a.力学性能,通过渗碳,高强度硬度,一定的塑性,心部较高的屈服强度和韧性,低合金钢,高合金钢b.工艺性能,锻造性能,多塑性变形低→高,切削性能156～207HBS,片状P＋F,渗碳及热处理性能,较快的渗碳速度,表面含碳量不致过高c.钢材质量较多和粗大的非金属夹杂物,不允许有严重的带状组织,不得出现反常组织.2.常用渗碳钢:a.低强度钢15,20,20Mn2,20Cr.b.中强度钢20CrMnTi,20CrMnMo,20MnTiB.c.高强度钢18Cr2Ni4WA,20CrNi4A3.碳钢的预处理.适当的预热处理正火,回火;粒状或片状P.4.表件表面清理及防渗处理:清洁表面→吹砂.电解镀铜,涂抹防渗膏剂.气体渗碳:1.常用渗碳设备:周期炉(井式,卧式,滚式)连续式炉(振底式,送带式,旋转罐式).2.渗碳剂及选用原则(1)常用渗碳剂:液态渗剂:煤油,甲醇,乙醇.气体渗剂:天然气,丙烷,丁烷(S0.04%)(2)选用原则:足够的渗碳能力,无炭黑,结焦;有害杂质(如S)和水分要低,易于控制;安全卫生;价格低廉,供应充足;煤油和甲醇,丙酮.3．渗碳工艺:气体渗碳,产生方式及种类(滴注式,吸热式,氮基);设备类(井式,密封,连续)1)井式炉气体渗碳工艺a.排气,加大渗剂流量,排除炉内空气b.强烈渗碳,关闭试样孔,渗剂滴入量较多,保持炉气有较高的碳势c.扩散,减少滴量d.降温出炉,表面氧化,脱碳,变形2)密卦箱式炉气体渗碳,一定批量的多品种3)连续式气体渗碳工艺.大批量Ⅰ加热区.Ⅱ渗碳区.Ⅲ扩散区.Ⅳ预冷淬火区,炉内保证压力100－150Mpa4)真空渗碳(低压渗碳)较高的表面活性,变形小,能源省.方式:一段式:维持压力;脉冲式:渗碳又扩散;摆动:充分和排气之后,扩散期.液体渗碳固体渗碳及其他渗碳方1.液体渗碳:含碳盐浴中进行,内热式和外热式a.液体渗碳盐浴:渗碳剂SiC,C;加热介质BaCl2,Na2CO3,(NaCN).b.渗碳工艺及操作:850～900℃,直接冷却.重新加热淬火.工件准备,盐浴的配置及补给.表面覆盖和捞渣.质量检验.工件清洗2.固体渗碳:渗碳箱中进行,密封.渗剂:硬木木炭,焦炭.工件烧透3.膏剂渗碳及其他渗碳方法:适于单件.感应加热渗碳,电解渗碳.放电渗碳,离子渗碳.渗碳后的热处理1.直接淬火:工件渗碳后,预冷到一定温度,然后立即进行淬火冷却.适用于气体,液体渗碳.优点:减少加热.冷却次数,操作简;减少变形及氧化脱碳时间.缺点:淬火变形,奥氏体容易晶粒长大.2.一次淬火:860～880℃出炉,高于AC3(820～860℃),要求表面:AC1～AC3780～810℃,AC1以上760～780℃.工艺特点是渗碳后的零件以较快的速度(防止渗后表面氧化脱碳和析出网状碳化物)冷却到Ac3以下或室温,然后重新加热到840℃左右,细化奥氏体晶粒后淬火,保证渗碳淬火件有好的韧性.此外,渗碳后要求进行半精加工或要求在压床上淬火或安装上工夹具后淬火,以控制淬火变形的零件.也需要采用一次淬火法.3.两次淬火或一次正火+一次淬火:880～900℃,细化心部组织,表面网状渗碳体;810～830℃,细针状M.第一次淬火加热温度在Ac3以上,目的是细化心部组织,并消除表面网状碳化物.第二次淬火加热温度选择在高于渗碳层成分的Ac1点温度(780~820℃).二次加热淬火目的是细化渗碳层中马氏体晶粒,获得隐晶马氏体.残余奥氏体及均匀分布的细粒状碳化物的渗层组织.由于两次淬火法需要多次加热,不仅周期长,成本高,而且会增加热处理时的氧化.脱碳.变形等缺陷.4.其它淬火方法:1等温淬火表层Ms以上,心部Ms以下,等温.2表面加热淬火.3强韧化处理.高温渗碳并直接淬火M+A线.中间回火,350～450,T+A线+B.低温时加热淬火,M+Fe3C细小.低温回火.4二次硬化处理.13Cr3NiWMo2V回火2-7次,快速运转的齿轮.渗碳.淬火.低温回火后渗碳件的金相组织和硬度为:渗碳层的组织为高碳回火马氏体+少量残余奥氏体+少量分散细小的碳化物,硬度大于56HRC.心部组织取决于钢的淬透性和零件尺寸,钢的淬透性好或零件尺寸小,心部组织全部或主要是回火马氏体.其硬度为40HRC左右,否则心部组织会有大量的自由铁素体.零件的强韧件较低.渗碳件常见缺陷及防止措施:1)表层粗大块状或网状碳化物→重新淬火,加热扩散.2)表面大量残余奥氏体→冷处理,重新加热.3)表面脱碳→补渗,喷丸.4)表面非马氏体组织→过(喷丸),重新淬火.5)反常组织(软点)→较快冷却.6)心部铁素体过高→正常工艺加热淬火.碳氮共渗原理:将工件放在能产生碳.氮活性原子的介质中加热并保温,使工件表面同时吸收碳和氮原子并向内部扩散,形成一定碳和氮浓度和一定厚度的渗层,然后按适当方式冷却(一般直接淬火)的过程.三个阶段:1)共渗介质分解2)C.N原子被钢吸收3)N.C原子向内层扩散.不同于渗碳:渗层深度加厚(同一温度);渗层的相变温度降低,Ac1→697℃;冷却υk↓,淬透性↑,变形小;Ms↓,A残↑.用钢及其热处理:渗碳钢→碳氮共渗;热处理:直接淬火+回火200℃.气体碳氮共渗:设备:同渗碳炉.介质:煤油+苯.甲苯.温度和时间:T↑,τ↓;T↓,变形↑,氮含量↓,故820～880℃;时间取决于渗层层温度要求.20CrMnTi钢碳氮共渗层组织:心部-表面1.针状M+残余A;2.混合M+残余A;3.板条M+针状M.液体碳氮共渗:1．介质:氰化物盐(Na,K)及中性盐2．工艺:a).盐浴成分b).温度和时间810,830,850,870c).冷却.碳氮共渗件的力学性能:1．硬度和耐磨性2．拉抗强度,塑性,韧性.无明显差别,层深浅,Ak↑3．疲劳强度:优于渗碳,与心部和表层组织结合.质量检查与缺陷:1)表面硬度2)组织表层和心部3)常见缺陷①黑相孔隙②表面黑带→非马氏体组织→氧化物→T③黑网T→析出④过渡区黑带,合金元素的贫化第三章.渗氮及其多元共渗渗氮概念:将氮渗入钢铁零件表面的热处理称为渗氮俗称氮化.渗氮能使钢铁零件得到比渗碳淬火具有更高硬度(950－1200Hv).耐磨性.抗咬合性能.红硬件和良好疲劳强度的渗氮层;由于渗氮温度低(一般为480－560℃)和渗氮后的渗氮层具有高的硬度,因而零件渗氮后不进行淬火工艺,故渗氮零件的变形很小.因此,渗氮工艺在要求耐磨性高.疲劳强度好和热处理变形小的精密零件的生产中获得了广泛的应用.渗氮工艺的缺点生产周期长(一般气体渗氮工艺的渗氮时间长达数十到l00h).成本较高.渗短层较薄(一般为0.5mm左右).且脆性较大,因此,渗氮零件不能承受太大的接触应力和高的冲击载荷.此外,气体渗氮层要获得高硬度.高耐磨性,还要求选用含合金元紊铬.钼.铝的合金钢制造零件.渗氮工艺及操作过程:渗氮温度:480～570℃,合金氮化物聚集长大;时间较长;氨分解率:15～40%;排气,升温,保温,冷却.结构钢与工具钢的渗氮:1)一段渗氮→15-20h,430～530℃,退氮→消除白亮层2)两段渗氮→550～600℃,第二阶段缩短周期3)抗蚀渗氮ε相4)可控渗氮,不出现氮化物白亮层.合金元素对渗氮层组织和性能的影响:(1)溶解于铁素体并改变氮在a相中的溶解度:过渡族元素钨.钼.钛.钒及少量的铅和铌,可溶于铁素体,提高氮在a相中溶解度.(2)与基体铁构成铁和合金元素的氮化物(FeM)3N.(Fe,M)4N等.(3)形成合金元素等氮化物:在钢中能形成氮化物的合金元素,仅为过渡族金属中次外层d亚层比铁充填得不满的元素.不锈钢与耐热钢的渗氮:钝化膜,去除(机械法,化学法)1.喷砂2.磷化,多孔疏松的磷化层3.镀铜4.氯化物浸泡.1.渗氮工艺过程:锻造—正火(退火)—粗机械加工—调质处理—精机械加工—去应力—渗氮—研磨.渗氮工件在装炉前应进行清洗,一般用汽油或酒精等去油.渗氮在密闭的渗氮罐内进行.2.渗氮工艺方法:一类是以提高工件表面硬度.耐磨性及疲劳强度等为主要目的而进行的渗氮,称为强化渗氮;另一类是以提高工件表面抗腐蚀性能为目的的渗氮,称为抗腐蚀渗氮,也称防腐渗氮.强化渗氮:正火,调质,去应力处理,表面防护.工艺:等温渗氮,两段渗氮,三段渗氮(提高表面氮浓度).常见缺陷:变形;脆性和渗氮层剥落;渗氮层硬度不足等.氮碳共渗(软氮化):在铁-氮共析转变温度以下,使工件表面在主要渗入氮的同时也渗入碳.气体软氮化是在含有活性碳.氮原子的气氛中进行低温碳.氮共渗.常用的共渗介质:尿素.甲酰胺和三乙醇胺.软氮化层组织和软氮化特点:钢经软氮化后,表面最外层可获得白层,由ε相.γ`相和含氮的渗碳体Fe3(C,N)所组成,次层为扩散层,主要是由γ`相和ε相组成.特点:1.处理温度低,时间短,工件变形小.2.不受钢种限制.3.能显着地提高工件的疲劳极限.耐磨性和耐腐蚀性.在干摩擦条件下还具有抗擦伤和抗咬合等性能.4.由于软氮化层不存在脆性ξ相,故氮化层硬而具有一定的韧性,不容易剥落.氮碳共渗的组织和性能:化合物层的性能与碳氮含量有很大关系.含碳量过高,虽然硬度较高,但接近于渗碳体性能,脆性增加;含碳量低,含氮量高,则趋向于纯氮相的性能,不仅硬度降低,脆性也反而提高.因此,应该根据钢种及使用性能要求,控制合适的碳.氮含量.氮碳共渗后,表面形成的化合物层也可显著提高抗腐蚀性能.共渗常出现的缺陷:1)表面残留奥氏体过多(表面碳氮浓度共高所导致)2)黑色组织氧氮共渗:当钢在渗氮的同时通入一些含氧的介质,即可实现其氧氮共渗处理.处理以后的工件兼有蒸汽处理和渗氮处理的共同优点.共渗层的结构:表面氧化膜,次表层氧化区,渗氮区.共渗介质:氨水.工艺:540-590℃,25%-30%.氧氮共渗的特点:渗层可分三个区,表面氧化膜,次表层氧化区和渗氮.表面氧化膜与次表层氧化区厚度相近,一般为2-4μm.氧氮共渗后形成多孔Fe3O4层具有良好的减摩擦性能.散热性能及抗粘着性能.氧氮共渗介质:一般用得较多的是不同浓度的氨水.氮原子向内扩散形成渗氮层,水分解形成氧原子向内扩散形成氧化层并在工件表面形成黑